О «ПАРАДОКСАХ» ЗАКОНА ИНДУКЦИИ ФАРАДЕЯ
реклама
О «ПАРАДОКСАХ» ЗАКОНА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ К.Б. Канн [email protected] Аннотация. Показано, что некоторые «парадоксы», которые были обнаружены в явлениях электромагнитной индукции, объясняются ошибкой, допущенной в максвелловской трактовке основного закона ЭМИ, искажающей природу этого явления. Электромагнитная индукция – это один из способов генерации электрической энергии, в которых обязательно участие электрических зарядов. Ключевые слова: «парадоксы» электромагнитной индукция, законы ЭМИ Фарадея и Максвелла, электрические заряды, поля, генерация электричества методом индукции, разрешение «парадоксов». "Чудо - не то, что противоречит законам природы, а то, что противоречит нашему знанию этих законов". Блаженный Августин Введение Открытие электромагнитной индукции (ЭМИ) было одним из величайших научных достижений 19-го века. Это явление лежит в основе современной электротехники и уже почти два столетия успешно служит цивилизации и техническому прогрессу. Поэтому специалисты были удивлены, когда обнаружилось, что в некоторых электрических схемах электромагнитная индукция ведет себя «не по правилам». Количественно явление электромагнитной индукции описывается основным законом ЭМИ: 1 d dt – (1) ЭДС индукции 1 , возникающая в замкнутом контуре, определяется производной по времени t от магнитного потока , пронизывающего этот контур. В некоторых случаях этот закон почему-то не выполняется. Один из экспериментальных фактов получил даже название «парадокса Геринга» (Hering’s paradox). В середине прошлого века обсуждение этого «феномена» среди специалистов вылилось в большую дискуссию в научной печати [1-4]. Рассмотрим некоторые «парадоксы» электромагнитной индукции, которые уже многие десятилетия не находят удовлетворительное объяснение. «Парадокс Геринга» и другие «парадоксы» На Fig. 1 показано экспериментальное устройство Геринга (см. [3]). Намагниченный железный тороид 1 охвачен замкнутым контуром, состоящим из двух пружинных зажимов 2 и гальванометра 3. При извлечении тороида из пружинной петли (без нарушения 1 металлического контакта) магнитный поток, пронизывающий контур, изменяется от исходного значения до нуля. «Парадокс Геринга» заключается в том, что при этом в цепи не возникает ЭДС индукции, которая следует из зависимости (1). Дискуссия продолжалась несколько десятилетий, то затухая, то возникая вновь, но «парадокс Геринга» так и остался неразрешенным. Более того: в процессе дискуссии были предложены и другие схемы, в которых нарушался основной закон электромагнитной индукции (1). На Fig. 2 приведена простейшая схема, предложенная в 1968 году Тили [1]. Цепь состоит из двух контуров. В правый контур включен гальванометр G, а левый пронизывает постоянный магнитный поток Ф (например, постоянный магнит). Если разорвать перемычку ab между контурами, то – согласно закону (1) – гальванометр должен показать импульс индукционного тока в цепи. Но какая-либо ЭДС в этом эксперименте не появляется. Анализируя этот парадокс, участники дискуссии пришли к выводу, что в выражении (1)... нарушается закон сохранения энергии. Действительно: для создания ЭДС требуется другая («сторонняя») энергия. Но при разрыве перемычки ab никакая работа практически не совершается! Откуда же взяться ЭДС? Недавно в Eur. J. Phys. была опубликована работа [5], авторы которой подробно рассмотрели несколько электрических схем, в которых нарушается закон электромагнитной индукции (1). С помощью простого устройства они провели собственный эксперимент, который подтвердил факт нарушения закона (1). Объясним суть возникающих «парадоксов» на примере этого эксперимента. Экспериментальное устройство авторов [5] схематически представлено на Fig. 3. Оно включало две соосные катушки провода (два соленоида). Первичная цепь состояла из внутренней катушки (I), источника постоянного тока U и реостата R. Вторичной цепью служил внешний соленоид (II), к движку которого был подключен баллистический гальванометр G. В наиболее полной форме закон электромагнитной индукции записывается так: 2 1 где N d d ( N ) , dt dt (2) N – потокосцепление – полный магнитный поток, пронизывающий витков соленоида. Дифференцируя (2), получаем: 1 d N ( N ) N . dt t t (3) Видно, что ЭДС индукции в соленоиде II должна возникать во всех случаях, когда меняется потокосцепление. В частности, если магнитный поток через соленоид не изменяется (t ) const , то ЭДС индукции 1 N . t (4) В эксперименте [5] по первичной цепи протекал постоянный ток, а полный магнитный поток, пронизывающий соленоид II (потокосцепление ), регулировался изменением числа витков N во вторичной обмотке – включением/выключением ключа К2 или перемещением движка соленоида. Однако при любых изменениях числа подключенных витков гальванометр не обнаруживал в цепи никакого индукционного тока. Из уравнений Максвелла авторы [5] получили закон индукции (1) и показали, что эта зависимость может выполняться лишь в том случае, если магнитное поле и форма проводящего контура изменяются во времени непрерывно. Авторам [5] не удалось найти техническое решение, которое позволило бы изменять форму контура (число витков) плавно и непрерывно. Поэтому отсутствие в катушке II индукционной ЭДС они сочли достаточным доказательством справедливости полученного ими «условия выполнения» основного закона ЭМИ (1). Авторы остались в полной уверенности, что если бы им удалось найти способ изменять «форму контура» плавно, то все стало бы на свои места – был бы реабилитирован закон ЭМИ, заработал гальванометр и исчезли «парадоксы». Законы индукции Фарадея и Максвелла Прежде всего заметим, что существует две формы закона электромагнитной индукции. Фарадей, который открыл это явление в 1831 году, описал его зависимостью: q : r (5) При изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутую цепь сопротивлением r на величину , по цепи протекает заряд q . В настоящее время «Основным законом электромагнитной индукции» называют другое соотношение: 1 d dt : 3 (6) Переменное (во времени) магнитное поле Ф создает в пространстве вихревое электрическое поле 1 . Это выражение правильнее было бы называть «законом индукции Максвелла», потому что именно в такой форме оно вошло в знаменитую систему уравнений электродинамики Дж. Максвелла. Хотя выражение (6) легко получается из (5) простыми математическими преобразованиями (см. [6]), физический смысл этих зависимостей отличается принципиально. По существу они описывают два разных физических процесса: если у Фарадея в процессе ЭМИ в замкнутом проводнике возникает электрический ток, то согласно соотношению (6) переменный магнитный поток создает электрическое поле – индукционную ЭДС 1 . На ВЭБ-сайте www.electrodynamics.narod.ru [6] мы показали, что идея «взаимодействия полей» искажает природу электромагнитной индукции. Эта идея завела классическую электродинамику в тупик, что и стало, в частности, причиной многочисленных "парадоксов" в явлениях ЭМИ. Природа электромагнитной индукции Чтобы разрешить «парадоксы», возникающие при использовании соотношения (6), необходимо понять природу электромагнитной индукции, которую эта зависимость, к сожалению, не отражает. Известно, что электромагнитная индукция возникает не только в замкнутом проводнике, но и в любом проводящем отрезке, движущемся с некоторой скоростью v в магнитном поле B (см. Fig. 4). Свободные электрические заряды в проводнике (будем считать их положительными) при пересечении проводником линий магнитного поля испытывают воздействие «магнитной силы» Лоренца: FL q v, B , (7) где q – заряд частицы. Согласно этой зависимости магнитная сила перемещает свободные положительные заряды в проводнике по направлению к верхнему краю отрезка. При этом на концах отрезка создается разность потенциалов, численно равная ЭДС этого «микрогенератора»: 1 1 2 . Силы, движущие заряды в процессе генерации электроэнергии (в данном случае – «магнитные силы»), имеют не электростатическую природу. Они перемещают электрические заряды против сил электрического поля. Академик И.Тамм назвал их «сторонними силами» [7]. Работа сторонних сил в электрогенераторах преобразуется в потенциальную электрическую энергию (ЭДС генератора). Направленное движение зарядов в движущемся проводнике (назовем его «сторонним током») продолжается до тех пор, пока возрастающая электрическая (электростатическая, «кулоновская») уравновесит магнитную силу Лоренца FL сила FK не (см. Fig. 4). Явление электромагнитной индукции выражается в том, что избыточный заряд dq , скопившийся на конце «микрогенератора» за время dt , пропорционален магнитному потоку d , который проводник пересекает за это время (на Fig. 4 заштриховано). Этот экспериментальный факт и отражает зависимость (5). 4 Разность потенциалов на концах «микрогенератора» будет сохраняться до тех пор, пока остается неизменной скорость движения проводящего отрезка. В момент остановки «микрогенератор» быстро «разряжается»: под действием разности потенциалов (ЭДС индукции) кратковременно протекает обратный (потенциальный) ток. При этом электрическая энергия переходит в тепло. Но это уже другой процесс, не имеющий прямого отношения к явлению электромагнитной индукции. Если, не прекращая движение проводящего отрезка, замкнуть его концы на «нагрузку» – сопротивление R (пунктир на Fig. 4), по цепи потечет прямой (в направлении ЭДС) ток I, величина которого определяется законом Ома для замкнутой цепи: I 1 . Rr (8) В этом случае сопротивление проводящего отрезка r выступает в роли внутреннего сопротивления «микрогенератора». Работа такого «генератора» ничем не отличается от работы любого другого источника тока (механического, химического и пр.). Поэтому называть ток (8) «индукционным током» можно лишь «генетически». Закон электромагнитной индукции в форме (6) правильно (количественно) отражает связь ЭДС индукции со скоростью изменения магнитного потока. Однако в этом выражении молчаливо предполагается, что индукционным током является прямой (потенциальный) ток (8). Это направление и задает ему знак « – » в соотношении (6). Далее: из приведенного выше описания видно, что в индукционном процессе ток предшествует образованию ЭДС индукции и является причиной появления этой ЭДС. В представлении, которое отражает зависимость (6), причина и следствие меняются местами: предполагается, что переменное магнитное поле сначала индуцирует ЭДС индукции, которая затем уже создает индукционный ток. Разрешение «парадоксов» Подытожим сказанное в предыдущем разделе: Явление электромагнитной индукции – это один из многих способов получения электроэнергии (в потенциальной форме – в форме разности потенциалов). Чтобы получить ЭДС индукции, нужно затратить эквивалентное количество другой («сторонней», не электрической) энергии. «Посредником» между источником энергии и ЭДС индукции в этом процессе служат сторонние силы. В явлениях электромагнитной индукции такой силой является «магнитная сила». Она-то и создает индукционный («сторонний», не потенциальный!) ток, «разносящий» заряды противоположного знака к выводным клеммам индукционного генератора. Этот ток направлен против возникающей на клеммах генератора индукционной ЭДС. Интерпретация индукционного процесса зависимостью (6) искажает природу электромагнитной индукции. Она создает иллюзию, что ЭДС можно получить непосредственно из переменного магнитного поля – без проводов и участия электрических зарядов. Приведенное выше рассмотрение показывает, что ЭДС индукции возникает как следствие работы сторонних сил над электрическими зарядами. В экспериментах с «неправильными» электрическими схемами нарушается закон индукции в том понимании, которое ему приписывает формулировка (6). Если переменное магнитное поле может генерировать ЭДС индукции непосредственно, то должно выполняться соотношение (2) и вытекающая из него зависимость (4). Поэтому отсутствие ЭДС индукции при подключении (или исключении) какой-то части витков во вторичной цепи кажется удивительным и необъяснимым. Ситуация существенно меняется, если «посредником» между переменным магнитным полем и ЭДС индукции служат электрические заряды. Из (7) видно, что магнитная сила 5 возникает лишь при движении электрических зарядов в магнитном поле ( v 0 ). Чтобы индукционный ток возник в протяженном проводнике нужно, чтобы сторонняя сила имела составляющую вдоль провода. Иными словами: для возникновения в проводнике индукционного тока необходимо, чтобы проводник (или хотя бы какая-то его часть) в своем движении пересекал линии поля1. Во всех экспериментах, рассмотренных авторами [5] (включая их собственные), такое пересечение отсутствует. Соответственно отсутствует и «магнитная сила», создающая индукционный ток, и – как следствие – отсутствует ЭДС индукции. Этот результат и показывает гальванометр. Труднее объяснить сам «парадокс Геринга»: магнитный поток реально покидает замкнутый электрический контур, а гальванометр этого не «замечает»! Это объясняется тем, что в устройстве Геринга магнитный поток «выскальзывает» из токопроводящей петли вместе с электронами, содержащимися в проводящем «мостике» – части магнитопровода между упругими контактами. Таким образом, электроны, принадлежавшие замкнутой цепи, не пересекают магнитные линии, а уходят из контура вместе с этими линиями – индукционный ток в контуре не возникает, и гальванометр «молчит». Заключение «Парадоксы» появляются тогда, когда наши представления о природных процессах не соответствуют их физической природе. Приведенное рассмотрение еще раз подтверждает эту очевидную истину. ЛИТЕРАТУРА 1. Bewley L V 1952 Flux Linkages and Electromagnetic Induction (New York: Macmillan) Corson D R 1956 Am. J. Phys. 24 126 2. Nussbaum A 1965 Electromagnetic Theory for Engineers and Scientists (New York: Prentice Hall) 3. Nussbaum A 1972 Faraday’s law paradoxes Phys. Educ. 7 231–2 4. Pugh E M 1968 Am. J. Phys. 32 879 5. A Lopez-Ramos, J R Menendez and C Pique Conditions for the validity of Faraday’s law of induction and their experimental confirmation Eur.J.Phys.29(2008)1069–1076 6. www.electrodynamics.narod.ru 7. И.Е.Тамм. Основы теории электричества: Учеб. пособие для вузов. – 11-е изд. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 616 с. 1 Существует распространенное мнение, что индукционный процесс в замкнутом контуре принципиально отличается от электромагнитной индукции в движущемся проводящем отрезке. Мы показали [6], что природа индукционного процесса едина во всех его проявлениях. 6